Vacâncias de oxigênio induziram estreitamento do intervalo de banda para visibilidade eficiente

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 14105 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

O intervalo de bandas do TiO2 rutilo foi reduzido, através da formação de vagas de oxigênio (OVs) durante o tratamento térmico em pó de carbono (cHT) com revestimentos de TiO2 incorporados. O intervalo de banda estreitado melhora eficientemente a resposta à luz visível dos revestimentos de TiO2, para aumentar ainda mais a atividade fotocatalítica acionada pela luz visível. A mudança nos OVs durante o cHT foi estudada pela manipulação da temperatura e do tempo do cHT. O efeito dos OVs na estrutura da banda do TiO2-x não estequiométrico foi calculado posteriormente por cálculos de primeiros princípios. Com o aumento da temperatura, as imagens SEM mostram que a estrutura semelhante a fibra de tamanho nano se forma na superfície dos revestimentos de TiO2, e a quantidade da estrutura semelhante a fibra aumenta significativamente e seu tamanho muda de nano para micro abaixo de 800 °C, contribuindo causar um aumento na área de superfície acessível. Os resultados UV-Vis revelam que o band gap do TiO2 foi estreitado durante o cHT, devido às vacâncias de oxigênio formadas. Os resultados do XPS confirmam ainda que a formação de defeitos superficiais, incluindo OVs, e o perfil de profundidade do XPS mostra ainda a diminuição da quantidade relativa de O, enquanto a quantidade relativa aumentada de carbono. Notavelmente, após cHT para revestimentos de TiO2, a atividade fotocatalítica primeiro aumenta e depois diminui com o aumento da temperatura, atingindo aproximadamente 3 vezes a 850 °C. O cálculo dos primeiros princípios sugere que os OVs em revestimentos de TiO2 com elétrons localizados poderiam facilitar o estreitamento do band gap, favorecendo ainda mais o aumento da atividade fotocatalítica sob luz visível.

Face a estas questões urgentes de poluição ambiental e crise energética, a utilização de recursos renováveis ​​para desenvolver tecnologias de energia renovável está a tornar-se um assunto urgente que necessita de avanços. A fotocatálise é considerada uma candidata com grande potencial para amenizar e solucionar ainda mais esses problemas, pois pode decompor eficientemente poluentes orgânicos ou gerar energia química via efeito fotocatalítico. O dióxido de titânio (TiO2) pode ser considerado um dos materiais fotocatalisadores mais importantes, devido às posições adequadas das bordas da banda, excelente estabilidade, baixo custo e excelente atividade fotocatalítica . No entanto, o TiO tem sido limitado pelo seu intervalo de banda relativamente amplo (~ 3,2 eV de anatase ou ~ 3,0 eV de rutilo), para a resposta à luz visível . Atualmente, enormes esforços têm sido dedicados para melhorar a absorção de luz visível do TiO2, como estreitar o band gap com introdução de dopantes ou defeitos (OVs, Ti3+, cepas de rede) e compor com fotocatalisadores com menor band gap ou melhor resposta à luz visível7, 8,9,10,11,12, para atender ainda mais às necessidades de aplicações práticas. Além disso, muitas literaturas relataram que a dopagem de não metais, como nitrogênio, enxofre ou carbono, na rede de TiO2 pode estender a borda de absorção da região UV para a região visível, devido à introdução de estados eletrônicos localizados no intervalo de bandas . 14,15,16.

Notavelmente, a dopagem controlável de impurezas de C na rede de TiO2 é uma abordagem eficaz para melhorar a atividade fotocatalítica, porque esse C pode permear na rede de TiO2 para substituir átomos de O ou Ti, acompanhado pela formação de ligações Ti-C ou C-O-Ti. gerar orbitais híbridos acima da banda de valência do TiO2 inibindo significativamente a recombinação devido ao canal de transporte e capacidade de armazenamento de elétrons. Depois de Khan et al. relataram os substitutos de carbono para os átomos de oxigênio da rede em TiO2 com um band gap inferior de cerca de 2,32 eV em 200217, muitos pesquisadores provaram sucessivamente que o TiO2 dopado com C é uma estratégia eficaz para estreitar o band gap e gerar defeitos de superfície como OVs, para aumentar ainda mais aumentar a atividade fotocatalítica acionada pela luz visível18,19,20,21,22.

Além da dopagem, a fotocatálise induzida por OVs é outra solução eficiente para obter resposta à luz visível, separação de carga simultaneamente, para servir como sítio ativo para a adsorção e subsequente dissociação de moléculas contendo O. Em 2000, Nakamura et al. investigaram o papel dos OVs no fotocatalisador de TiO que se localizam entre as bandas de valência e de condução, para resposta à luz visível , depois Schaub et al. desvendaram o mecanismo de difusão de OVs em TiO2 rutilo em 200224. Wendt et al. relataram que os OVs poderiam promover significativamente a separação de cargas, pelo aprisionamento de buracos induzido . Do ponto de vista da análise da estrutura eletrônica, acredita-se geralmente que os OVs podem melhorar a estrutura eletrônica dos semicondutores de óxido metálico com a introdução de alguns tipos de estados de defeito (como Ti3+, defeito pontual) abaixo da banda de condução e estreitando o gap para melhor visibilidade. -resposta à luz26,27. Mais importante, a quantidade de OVs desempenha um papel fundamental na resposta à luz visível e na melhoria da atividade fotocatalítica do TiO2 a partir de medições experimentais e cálculos teóricos .